Morphologic brain changes induced by pregnancy. A longitudinal magnetic resonance imaging study

Abstract

En los seres humanos, la supervivencia del infante depende de forma considerable de los esfuerzos de la madre y la calidad de su cuidado contribuirá significativamente al desarrollo neurobiológico, cognitivo y socio-emocional del niño (Shonkoff et al., 2012). Además, casi todas las mujeres experimentarán un embarazo a lo largo de su vida, lo cual es reconocido por predisponer a la madre a cierta vulnerabilidad mental (Brunton and Russell, 2008). Sin embargo, se sabe muy poco sobre los efectos del embarazo en el cerebro de la mujer. Cambios endocrinos menos extremos ocasionan modificaciones morfológicas cerebrales (Erickson et al., 2010; Woolley and McEwen, 1993, 1992) y diversos estudios en mamíferos demuestran adaptaciones neuronales con el fin de garantizar el embarazo, el parto y el puerperio, lo cual que sugiere una plasticidad cerebral inherente a la reproducción en los seres humanos (Brunton and Russell, 2008; Kinsley and Amory-Meyer, 2011; Swain et al., 2014). Aunque esta cuestión se ha abordado previamente evaluando cambios a nivel cerebral global, los resultados aquí presentes son los primeros en revelar las características precisas de los cambios morfológicos cerebrales asociados a la reproducción exitosa en las madres humanas. El objetivo de este estudio es examinar en mujeres si el embarazo se asocia con cambios morfológicos cerebrales y en qué áreas. Se trata de un estudio longitudinal de casos y controles, donde obtuvimos imágenes de alta resolución mediante resonancia magnética del cerebro de 25 mujeres primíparas y sus parejas masculinas (n = 19) en dos momentos: antes y después del embarazo. También se adquirieron exploraciones longitudinales de 20 mujeres nulíparas controles y sus parejas masculinas (n = 17). Se aplicó un análisis morfométrico longitudinal basado en vóxeles para calcular los cambios en la sustancia gris (SG) entre los dos momentos de medición a nivel individual y posteriormente comparar estos cambios entre los grupos de sujetos (primíparas versus controles). Las comparaciones entre grupos revelan un patrón simétrico y altamente significativo de reducciones volumétricas de SG en las mujeres que pasaron por un embarazo en comparación con las mujeres control nulíparas. No se encontraron diferencias significativas entre las muestras masculinas. Estas reducciones de volumen de SG asociadas al embarazo se observan en la línea media posterior (cingulado posterior y precuneus), la corteza frontal medial (córtex prefrontal medial y cingulado anterior), la corteza prefrontal lateral bilateral (clústeres en la corteza prefrontal ventrolateral y dorsolateral) y la corteza temporal bilateral (surco temporal superior bilateral que se extiende a secciones laterales circundantes así como a estructuras temporales mediales tales como el giro fusiforme). Todos los valores de p son inferiores a 0,05 con corrección familywise-error. Los cambios son muy consistentes a través de la muestra y el total de las mujeres participantes pueden ser clasificadas de forma significativamente acertada en haber tenido un embarazo o no en base a la distribución de la SG en el cerebro. Los resultados aquí presentes son los primeros en demostrar que el embarazo está relacionado a cambios morfológicos cerebrales específicos en los seres humanos, proporcionando conocimientos primarios sobre la forma en que el cerebro de la mujer es modificado durante el embarazo. Los resultados se discuten a la luz de estudios que evalúan las áreas cerebrales implicadas y los posibles mecanismos neurobiológicos subyacentes a estas reducciones de volumen de SG. Aunque el mecanismo y el significado fisiológico de estos hallazgos son especulativos en la actualidad, este estudio proporciona claves primordiales sobre la base neural de la maternidad, la salud mental perinatal y la plasticidad cerebral en general.

In humans, the survival of the young is dependent to a significant degree on the exertions of the mother, and the quality of her care will contribute to the foundation of the infant’s neurobiological, cognitive and socio-emotional development (Shonkoff et al., 2012). Furthermore, almost every women will experience pregnancy which is recognized to predispose the mother to a period of mental vulnerability (Brunton and Russell, 2008). Nevertheless, very little is known on how pregnancy affects the human brain. It has been proven that less extreme endocrine changes render morphological brain modifications (Erickson et al., 2010; Woolley and McEwen, 1993, 1992) and several studies in mammals show adaptations in various brain systems in order to ensure pregnancy, delivery and postnatal care, suggesting in humans a brain plasticity inherent to reproduction itself (Brunton and Russell, 2008; Kinsley and Amory-Meyer, 2011; Swain et al., 2014). Although this question has been previously addressed assessing whole brain changes in size (Oatridge et al., 2002), the current findings are the first to explicitly show the precise morphologic brain changes associated with successful reproduction in human mothers. The aim of this study is to examine whether pregnancy is associated with morphological brain changes in women. In this longitudinal case-control study, we obtained high-resolution brain MRI scans of 25 primiparous women and their male partners (n=19) before and after pregnancy. Longitudinal scans of 20 nulliparous control women and their male partners (n=17) were also acquired. A longitudinal voxel based morphometric analysis was applied to calculate changes in grey matter (GM) between the two different time-points and compare these changes between the groups of subjects (primiparous versus controls). Group comparisons of these within-subject GM changes indicate a symmetrical pattern of highly significant GM volumetric reductions in the women who underwent pregnancy in comparison to the nulliparous control women. The comparison between the male samples does not yield significant differences. These GM volume reductions associated with pregnancy are observed in the posterior midline (posterior cingulate and precuneus), the medial frontal cortex (medial prefrontal cortex and anterior cingulate), bilateral lateral prefrontal cortex (clusters in the ventrolateral and dorsolateral prefrontal cortex) and bilateral temporal cortex (bilateral superior temporal sulcus extending to surrounding lateral temporal sections as well as medial temporal structures such as the fusiform gyrus). All p values are below 0.05 familywise-error corrected. The changes are remarkably consistent across subjects and the women can significantly be classified as having undergone pregnancy or not, based on the distribution of GM changes across the brain. The current findings are the first to demonstrate that pregnancy is related to specific morphological brain changes in humans, providing primary insights into the way a woman’s brain is modified during pregnancy. The results are discussed in the light of studies assessing the implicated brain areas and the potential neurobiological mechanisms underlying these GM volume reductions. Although the mechanism and physiological meaning of these findings are speculative at the present time, these findings provide primary clues regarding the neural basis of motherhood, perinatal mental health and brain plasticity in general.